定向井新工具介绍
定向井及工具综述
中联煤层气有限责任公司 ChinaUnitedCoalbedMethaneCo.,Ltd.
定向井简介
1）井斜变化率——以Ｋα表 示，严格地讲，井斜变化 率是井斜角α对井深Ｌ的 一阶导数，可写为： 以增量代替微分，以相邻 二测点间的井斜角变化值 （Δα）与二测点间井段 长度（ΔL）的比值来表示 井斜变化率的。 求得的乃是该测段的平均 井斜变化率
da K dL
K L
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定向井简介
2）方位变化率——以Ｋφ表 示。严格地讲，方位变化 率是方位角φ 对井深Ｌ的 一阶导数，可写为： 以增量代替微分，以相邻 二测点间的方位角变化值 （Δφ ）与二测点间井段 长度（ΔL）的比值来表示 方位变化率的。 求得的乃是该测段的平均 方位变化率
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定向井简介
2.地下地质条件的要求： 对于断层遮挡油藏，定向 井比直井可发现和钻穿更 多的油层；对于薄油层， 定向井和水平井比直井的 油层裸露面积要大得多。 另外，侧钻井，多底井， 分支井，大位移井，侧钻 水平井，径向水平井等等 定向井的新种类，显著地 扩大了勘探效果，增加了 油气产量，提高了油气藏 的采收率。
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定向井简介
1.井深L——指井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼 长度，也有人称之为斜深，国外称为测量井(MeasureDepth)。 井深是以钻柱或电缆的长度来量测。井深既是测点的基本参 数之一，又是表明测点位置的标志。 2.垂深D——测点的垂直深度。 3.井斜角 —测点处井眼方向线（切线）与重力线间的 夹角。 4.方位角θ —正北方向至测点处井眼方向线在水平面投 影线间夹角。 5.水平位移—测点至井口所在的铅垂线的距离。(闭合距)
一种定向井随钻堵漏工具PBL的应用介绍
一种定向井随钻堵漏工具 PBL的应用介绍【摘要】布尔干油田是世界第二大油田，位于波斯湾沿岸的科威特境内，东距阿拉伯湾海岸20km。
布尔干油田的储集层总厚度达400m且具有极好的物理特性，砂岩平均孔隙度超过25%，渗透率为1～4µm2,油田储量丰富，单井产能极高。
其地层以石灰石和白云岩居多，天然裂缝性漏失严重，尤其在定向井的钻井生产中，频繁起钻更换常规钻具堵漏耗时耗力，大大增加了生产周期。
PBL的引入，实现了动力钻具定向时随钻堵漏的方便性，在BG1139井的现场应用过程中效果显著，口井施工周期缩短了近20% 。
关键词：随钻堵漏；PBL；裂缝性漏失；旁通；剪切压力一、前言BG1139井为一口三开定向井，二开398m开始定向，整个二开井段自DAMMAN 至MUTRIBA地层为一长段的石灰石、白云岩裂缝性地层，而且漏失量大，漏失速度快[1]，甚至钻井液只进不出。
这就需要起钻更换大水眼的常规钻具组合进行堵漏，堵漏成功后再起钻更换动力钻具定向，如此反复，耽误时效，给施工带来了极大麻烦。
二、PBL的结构及技术参数PBL源自威德福国际油服公司，可提供尺寸范围是203.2mm-304.8mm，下面以BG1139井使用的209.6mm尺寸为例，参数构成如下：PBL旁通孔关闭状态允许的最大排量为95L/S，打开状态允许的排量范围是12.6-126L/S[2]。
PBL旁通孔下面是一个带水眼的弹簧结构，一方面保证钻井液或堵漏材料的顺畅通过，另一方面在投入聚酯球后，开泵作用于该结构从而使旁通孔切换成打开状态。
弹簧结构的下面是一个带底的具有一定强度的不锈钢接收笼，其长度能容纳10个钢球和5个聚酯球，可以实现5个循环的堵漏与钻进模式切换。
给现场施带来了很大的方便。
PBL全长2.44-3.05m，重量为6.78KN，能承受的温度极限为220 ℃，本体抗拉强度为16460KN，抗扭强度为454 KN.m；接头抗拉强度为4551KN，抗扭强度为115 KN.m。
石油钻井行业定向井专用井下工具
包括理论工作 特性和实际工 作特性
MT T p Q nT 60Q / q
MT 1 p q 2
T —钻头理论角速度；
nT —钻头理论转速，即马达输出的自转转速；
p —马达进出口的压力降； Q —流经马达的流量，即“排量” ；
N T p Q
q —马达每转排量，是一个结构参数，仅与线型和几何尺寸有关。
迫使旁通阀活塞下行并密封旁通阀筛孔，整个 钻具变形成了一个高压密封系统；
② 当液体通过转子和定子间组成的连续密封腔时
推动转子转动，经万向轴的转换把行星转动变 为轴心转动，带动钻头旋转，即把钻井液的液 力能通过螺杆转换成机械能。
§6-2 螺杆钻具
3、型号及分类
（1）型号说明
□ LZ □×□ □ ─轴承结构形式 │ │ │ └───最大允许钻头水眼压降(MPa) └─────钻具直径(mm) Y：硬质合金轴承 0：转子中空 2：挠性轴 3：弯壳体 4：双弯壳体 7：稳定器＋双弯壳体 6：稳定器＋弯壳体
随着钻井技术发展及弯壳体螺杆钻具品种规格的增加，弯壳体螺杆钻 具的应用更加普遍。
§6-2 螺杆钻具
3、型号及分类
（3）导向螺杆钻具
结构特点：弯壳体＋稳定器＋中空转子 类型：单弯、同向双弯、异向双弯 用途：配合PDC钻头或牙轮钻头组成不同的导向钻具组合，完成 定向造斜和在不更换钻具组合情况下实现稳斜段（配合转盘低速旋 转）及水平井段的钻井。
§6-2 螺杆钻具
3、型号及分类
（2）分类：根据螺杆马达的结构特征及其结构参数进行分类。
A、按螺杆马达的结构特征分类 a) 按螺杆马达转子端面线型的“头数”N（Lobe，又称波瓣数）， 可分为单头钻具（N=1）和多头钻具（N2）。单头马达具有高 转速、小扭矩特性。多头马达具有低转速、大扭矩特性。 b) 按马达转子与定子头数的关系进行分类。原理上讲，只要二者头 数相差1均可构成螺杆马达，可分为N/（N+1）型N/（N－1）型 两种。 目前油气井作业中普遍采用N/（N+1）型螺杆钻具。 c) 按马达“级数”进行分类。粗略地讲，螺杆马达的定子－转子运 动副的长度与定子导程长度的比值，即定子－转子运动副所包含 的定子导程的整倍数，工程上称为螺杆马达的级数（Stage）。 实际用于钻井作业的螺杆钻具马达，单头的多在3级以上，多头的 多在2级以上。级数越多，马达可输出的工作力矩值越大。
定向井及工具
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定向井简介
高边工具面角1——是指 以高边方向为始边，顺时 针转到工具面与井底圆平 面的交线所转过的角度。 又称为重力工具面角 磁工具面角2 ——是指以 磁北为始边，顺时针转到 工具面与井底圆平面的交 线在水平面上的投影线所 转过的角度
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定向井简介
1.井深L——指井口(通常以转盘面为基准)至测点的井眼 长度，也有人称之为斜深，国外称为测量井(MeasureDepth)。 井深是以钻柱或电缆的长度来量测。井深既是测点的基本参 数之一，又是表明测点位置的标志。 2.垂深D——测点的垂直深度。 3.井斜角 —测点处井眼方向线（切线）与重力线间的 夹角。 4.方位角θ —正北方向至测点处井眼方向线在水平面投 影线间夹角。 5.水平位移—测点至井口所在的铅垂线的距离。(闭合距)
高边工具面角；磁工具面角。
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定向井简介
3）高边——定向井的井 底是个呈倾斜状态的圆平面。 称为井底圆。井底圆上的最 高点称为高边。 从井底圆心至高边之间的 连线所指的方向，称为井底 的“高边方向”。 高边方向在水平面上的投 影称为高边方向线。即井底 的方位 。
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定向井简介
2.地下地质条件的要求： 对于断层遮挡油藏，定向 井比直井可发现和钻穿更 多的油层；对于薄油层， 定向井和水平井比直井的 油层裸露面积要大得多。 另外，侧钻井，多底井， 分支井，大位移井，侧钻 水平井，径向水平井等等 定向井的新种类，显著地 扩大了勘探效果，增加了 油气产量，提高了油气藏 的采收率。
定向井工具简介解析
若需要更强的稳斜组合， 可使用双扶正器串联起来 作为近钻头扶正器。
类型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
L1
L2
L3
L4
L5
强稳斜 组合
中稳斜 组合
弱稳斜 组合
0.8～1.2 1.0～1.8 1.0～1.8
4.5～6.0 3.0～6.0 4.5
9.0
9.0
9.0
9.0
～ 9.0
～
-----
18.0
27.0
9.0
-----
-----
单位名称－序号
单位名称－序号
15
二、转盘扶正器组合（4）
此类工具不能用于改变井眼方位，仅能在已有一定斜度的井眼内改变井斜，即进 行增斜、降斜或稳斜。
此类工具是在转盘钻的基础上，利用靠近钻头的钻铤部分，巧妙地使用扶正器，得 到各种性能的组合。
20世纪80年代以来，国内外对扶正器钻具组合的研究逐步深入。运用数学、力学和 计算机工具，出现了微分方程法、有限元法、纵横连续梁法、加权余量法等等 方法，且都需要使用较复杂的计算机程序。
定向井常用工具简介
－定向井服务中心－
海洋钻井平台
单位名称－序号
2
定向井常用井下工具
一、马达（PDM）
八、挠性短节（F/J）
二、扶正器（STB）
九、震击器（JAR）
三、非磁钻铤（NMDC）
十、加重钻杆（HWDP）
四、悬挂短节（HOS）
十一、短钻铤（SDC）
五、短非磁钻铤（SNMDC） 六、浮阀（F/V） 七、定向接头（O/S）
定向井、水平井专用工具
第章定向井、水平井专用工具第一节定向接头一、定向接头类别目前国内常用的定向接头有两种：定向直接头和定向弯接头，定向直接头用于弯壳体螺杆定向钻进，而定向弯接头则用于直壳体螺杆定向钻进。
定向弯接头因其具有制造简单、使用方便、成本低廉等特点，目前使用较为普遍。
二、技术规格定向弯接头规格表表1-1外径（mm）内径（mm）连接螺纹弯曲角度（°）长度(mm)备注母扣公扣196.85 80 630 531 1.25760 衬套内径50mm 1.501.752.002.252.502.75158.75 70 4A10 431 1.25500 衬套内径50mm 1.501.752.002.252.502.75107.95 57 310 331 1.25450 衬套内径35mm 1.501.752.002.252.502.75三、基本结构1、直接头的基本结构，包括壳体、扶正套、定向键和定位螺钉，如图1-1所示：图1-12．定向弯接头的基本结构，包括壳体、扶正套、定向键、定位螺钉如图1-2所示：定向弯接头结构示意图图1-2弯接头弯曲度数的计算公式：α=57.3(a-b)/d式中：α——弯曲角度（º）a——长边长度（mm）b——短边长度（mm）d——外径（mm）四、弯接头性能不同螺杆钻具使用弯接头在不同井眼的造斜率表1-2第二节无磁钻铤一、作用由于所有磁性测量仪器在测量井眼的方向时，感应的是井眼的大地磁场，因而测量仪器必须是一个无磁环境。
然而在钻井过程中，钻具往往具有磁性，具有磁场，影响磁性测量仪器，不能得到正确的井眼轨迹测量信息数据，利用无磁钻铤可实施无磁环境，并且具有钻井中钻铤的特性。
国外已有相当数量的无磁钻铤产品于1990年列入API标准。
我国根据国外产品和产品样本制订了SY/T 5145-86《无磁钻铤》标准。
二、工作原理无磁钻铤工作原理如图2-1所示：无磁钻铤的作用原理示意图2-1注：①地磁场线；②磁性测量仪；③钢钻铤；④干扰磁场线；⑤钻头接头；⑥无磁钻铤无磁钻铤上下的干扰磁场线对测量仪器部位没有影响，因而无磁钻铤为磁性测量仪器创造了一个无磁环境，保证了磁性测量仪器测到的数据为真实大地磁场信息。
定向井专用工具解读
(7)、导向总成
导向钻具有单弯钻具和双弯钻具两种。 导向单弯钻具，是在马达下部设置一带角度的短 节，从而使弯曲点尽可能靠近钻头，提高造斜率。 导向双弯钻具，是在单弯钻具的基础上增加一弯 接头，以提高造斜性能，根据其弯曲方向、度数 及联接部位可有多种组合方式。
2、钻具规格及技术参数
(1)钻具表牌说明 (2)技术参数
（7）钻具轴承间隙要求
钻具经过一段时间的使用，必须进行检修，否则 将影响钻具的再次下井使用，判断钻具能否继续 下井使用的一般方法是：钻具除在井口试验正常 外，还要看其推力轴承的磨损程度，可测量主轴 的轴向窜动量，窜动量要在额定范围之内，否则， 钻具必须进行维修。测试方法如下：(如下图)
首先，将钻具用吊卡吊起来，测量并记录不转 动部分的最下端一下径向轴承的下端和驱动接 头之间的间隙尺寸D1。 然后，将钻具座在转盘上，用钻具自身重量压 缩轴承总成，测 量并记录不转动部分的最下 端和驱动接头之间的间隙尺寸D2。 D1—D2即为推力轴承间隙值，见表1。
d.地面检查结束后，用吊钳卡住驱动接头，用 钻头盒将钻头和钻具上紧扣，卸下方钻杆，按 设计的钻具组合把各联接件上紧，要防止粘扣、 错扣，应保证传动轴驱动接头相对于上面的壳 体反时针转动，以防止钻具内部的零件松扣或 脱扣。 使用定向弯接头时，定向弯接头带的定位键必 须和工具面对正，如果在钻头和传动轴之间加 转换接头，建议其长度不超过 250mm 长，否则 将影响轴承寿命及造斜效果，甚至损坏传动轴。
a．组合推力轴承：
用以承受工作状态时的钻压，马达、钻头水眼压 降产生的轴向力及转子、万向轴、传动轴、钻头 重量等各轴向力的合力。
b．径向滑动轴承
它分为上、下两组，主要作用是承受转子作行星 运动引起的弯曲载荷和钻头转动时产生的侧向力， 上径向轴承对钻井液起限流作用，它允许马达流 出钻井液的 5—10％通过轴承组件，起着冷却和润 滑轴承的作用。
定向方法与定向专用工具介绍
1．单点定向此方法只合用造斜点较浅的状况，往常井深小于 1000 米。
因为造斜点较深时，反扭角很难控制，且定向时间较长。
施工过程以下：（l〕下入定向造斜钻具至造斜点地点〔注意：井下马达一定按厂家要求进行地面试验〕。
〔2〕单点测斜，丈量造斜地点的井斜角，方向角，弯接头工具面；〔3〕在测斜照相的同时，对方钻杆和钻杆进行打印，并把井口钻杆的印痕投到转盘面的外缘上，作为基准点；〔4〕调整工具面〔调整后的工具面是：设计方向角十反扭角〕。
锁住转盘、开泵钻进；〔5〕定向钻进。
每钻进 2～ 4 个单根进行一次单点测斜，依据丈量的井斜角和方向角实时修正反扭矩的偏差，并调整工具面；〔6〕当井斜角抵达8～10 度和方向适合时，起钻换增斜钻具，用转盘钻进。
在单点定向作业中要注意：①在确立了反扭角和钻压后，要严格控制钻压的变化范围，往常在预约钻压±千牛〔 2 吨〕内变化；②每次接单根时，钻杆可能会转动一点，注意转动钻杆的打印地点至预约地点；③假如调整工具面的角度较大〔＞ 90 度〕，调整后应活动钻具 2～3 次〔停泵状态〕，以便钻杆扭矩快速传达。
第六节方向调整段轨迹控制一、什么时候需要下动力钻具调整井眼轨迹（1〕井眼的方向角不切合设计要求时。
（2〕利用转盘钻已经达不到合理调整井眼井斜角和方向角的要求时。
〔 3〕井眼的井斜角不切合设计要求时〔转盘钻钻具组合已经达不到要求〕。
二、下入什么样的钻具组合进行井身轨迹调整：依据井眼轨迹调整所需要的造斜率来决定下入的钻具组合，一般来说需要按造斜率的大小来选择钻具组合：造斜率在10°～ 15° /100 米之间能够下入弯接头的钻具组合来达成。
造斜率在15°～ 30° /100 米之间能够下入单弯的钻具组合来达成。
造斜率在30°～ 45° /100 米之间能够下入双弯的钻具组合来达成。
〔当前改进了的单弯造斜率已有所提高〕三、如何确立钻具反扭角造斜点深度0 ～～～～～～ 3000 (m)5001000150020002500反扭角 ( °)2030507090110一般状况： 30° /1000米左右，但也有其余状况，反扭角不不过是遇到钻压的影响，还遇到井目圆滑程度的影响等等。
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完成了新型钻杆防喷器Zfpq-1的研制和初步 的研制和初步 完成了新型钻杆防喷器 下井试验，本工具结构简单，安全性好， 下井试验，本工具结构简单，安全性好，是 一种新型的钻杆防喷器， 一种新型的钻杆防喷器，可以有效的防止钻 井液倒返（ 和起到钻杆防喷器的作用， 井液倒返（返喷）和起到钻杆防喷器的作用， 是要达到长寿命（ 预计500小时 ） 、 安全 、 小时） 安全、 是要达到长寿命 （ 预计 小时 可靠目的。 可靠目的。
随着石油钻井高科技的发展，先进工具的研 制和开发，是钻井技术理论发展和进步的根本保 证 ,工具的开发研究适合我公司生产技术发展的 需要，使公司始终处于国内领先地位，紧跟国外 需要，使公司始终处于国内领先地位，紧跟国外 先进技术的发展, 先进技术的发展,对进一步提高公司的知名度， 稳定内部市场和占领外部市场, 稳定内部市场和占领外部市场,具有重大意义。 工具仪器的更新换代，将会给公司带来巨大的经 济效益。对原有工具维修和国产化可以节约大量 济效益。对原有工具维修和国产化可以节约大量 的资金，新开发的工具可以给公司带来直接的经 济效益，这将会给公司带来美好的发展前景。 济效益，这将会给公司带来美好的发展前景。
完成2003~2004年科研项目 液力偏心器的研制” 的调研、 完成2003~2004年科研项目“液力偏心器的研制” 的调研、 年科研项目“ 设计和绘图工作。 设计和绘图工作。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
旋转导向钻井工具(RNDS) 旋转导向钻井工具(RNDS) 遥控变径稳定器(RCDS遥控变径稳定器(RCDS-1) 专用井下工具减阻减扭器（DFDT-1） 专用井下工具减阻减扭器（DFDT钻杆减阻减扭防磨器(DFDT钻杆减阻减扭防磨器(DFDT-2) 新型液力加压器（HLDHLD新型液力加压器（HLD-1和HLD-2 ) 新型套管段铣器（套管铣刀 新型套管段铣器（套管铣刀CMCT-1) 新型钻杆防喷器(Zfpq-1) 新型钻杆防喷器
DFDT-2它的主要作用是降低钻柱的扭矩和防 它的主要作用是降低钻柱的扭矩和防 止套管的严重磨损。该产品不仅用于套管内， 止套管的严重磨损。该产品不仅用于套管内，还 可以用于裸眼段， 称为“ 可以用于裸眼段 ， 称为 “ 钻杆减阻减扭器 ” 每 两根钻杆安放一个，采用推拉式结构，拆装方便， 两根钻杆安放一个，采用推拉式结构，拆装方便， 全井段使用。 可全井段使用。
DFDT- 主要用于大位移井长裸眼段， DFDT-1主要用于大位移井长裸眼段，也可以做常规稳 定器用（可望成为替代产品） 定器用（可望成为替代产品），在减少磨阻的同时也减少 扭矩，解决磨阻扭矩问题和加压问题， 扭矩，解决磨阻扭矩问题和加压问题，对保护钻具防止钻 具事故具有很好的作用。其本体（心轴） 具事故具有很好的作用。其本体（心轴）、辊子和辊轴采 用高强度耐磨材料加工。结构简单、性能可靠， 用高强度耐磨材料加工。结构简单、 性能可靠 ，有满眼和 不满眼两种规格 工作状态
完成了新型液力加压器（HLD-1和HLD-2 HLD完成了新型液力加压器（HLDHydraulic Loader）的设计和绘图，工作行程 Loader）的设计和绘图， 可以伸缩2 具有自动送钻加压、 可以伸缩2米，具有自动送钻加压、减震和能 够解决加压困难问题。 够解决加压困难问题。
HLD-1(单级液力加压器） 单级液力加压器） 单级液力加压器
以上各种工具图纸我们全部应用三维 计算机绘图软件SoildWorks绘制，该 绘制， 计算机绘图软件 绘制 软件极大解除了传统制图方式对设计 思路的束缚， 思路的束缚，引导我们直接进入三维 空间使我们的设计思路更直观、 空间使我们的设计思路更直观、具体 地体现出来 。
我们的计划… 我们的计划
完成R 完成RCDS、RNDS加工组装之后，上井试验23口井，改进完善； RNDS加工组装之后 上井试验23口井 改进完善； 加工组装之后， 口井， RCDS和RNDS进行更新换代，推出负脉冲结构的第二代RNDSⅡ RNDS进行更新换代 推出负脉冲结构的第二代RNDSⅡ 进行更新换代， 设计有井下微电脑的自动控制导向系统第三代产品RNDSⅢ 设计有井下微电脑的自动控制导向系统第三代产品RNDSⅢ。 完成四级分支井钻井、完井系统和所应用工具的设计。 完成四级分支井钻井、完井系统和所应用工具的 设计。 系统由可 和所应用工具的设计 取出式斜向器、复合铣鞋、套管送入器、 取出式斜向器 、 复合铣鞋 、 套管送入器 、修窗铣刀和斜向器取出 器组成。该分支井钻井、 器组成 。该分支井钻井、 完井系统为我公司技术的进一步发展和 提高，确保我公司“国内第一”的地位不变具有十分重要的意义。 提高， 确保我公司 “国内第一 ”的地位不变具有十分重要的意义 。
HLD-2(二级液力加压器） 二级液力加压器） 二级液力加压器
完成了新型套管段铣器（套管铣刀 完成了新型套管段铣器（套管铣刀CMCT-1 Casing Milling Cutter）的设计和绘图 与液力加压器 ）的设计和绘图,与液力加压器 HLD-1配合使用，可以实现自动送钻段铣，钻压均匀、 配合使用， 配合使用 可以实现自动送钻段铣，钻压均匀、 保护割刀，延长使用寿命，充分发挥割刀的最大效能。 保护割刀，延长使用寿命，充分发挥割刀的最大效能。 为明年更多的套管开窗井做好准备。 为明年更多的套管开窗井做好准备。
今年基本完成了2002~2003年的科研攻关项 今年基本完成了2002~2003年的科研攻关项 目的任务，即旋转导向钻井工具(RNDS目的任务，即旋转导向钻井工具(RNDS-Routate Navigation Drilling System)的研制， System) 同时完成了遥控变径稳定器（RCDS-同时完成了遥控变径稳定器（RCDS-Routate Control Diameter Stabilizer）的研制， Stabilizer） 目前这两套工都已组装成功，并且进行了 计算机模拟试验和地面动作模拟试验，性 能良好，各方面都达到了设计要求，只待 下井试验，进一步验证其可靠性和先进性。 下井试验，进一步验证其可靠性和先进性
遥控变径稳定器(RCDS ） （Routate Control Diameter Stabilizer)
)
旋转导向钻井工具（RNDS） 旋转导向钻井工具（RNDS）
（Routate Navigation Drilling System)
开发研制了用于大位移钻井的专用井下工 具减阻减扭器（DFDT具减阻减扭器（DFDT-1 Decrease Friction Drag And Torque）和钻杆减阻减扭防磨器 And Torque）和钻杆减阻减扭防磨器 (DFDT-2)。与旋转导向工具一起组成大位 (DFDT-2)。与旋转导向工具一起组成大位 移钻井配套系列工具，为大位移延伸井和 三维高难度定向井钻井奠定了坚实的物质 基础和技术储备。